ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

том 74 № 2 (2004)
В 2002 г. Российская академия наук приняла программу "Фундаментальные науки - медицине". Ее участники - ведущие академические институты - в содружестве с ведомственными учреждениями, в том числе и с медицинскими, разработали оригинальные методики и приборы, уже использующиеся в клиниках России и за рубежом. На одном из заседаний Президиума РАН в 2003 г. было заслушано научное сообщение члена-корреспондента РАН В.И. Конова, академика В.И. Осико и члена-корреспондента РАН И.А. Щербакова, в котором был дан обзор проводимых в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН работ по применению оптических и лазерных методов в медицине. Следует подчеркнуть, что медицинская тематика в планах Института общей физики появилась по инициативе его основателя академика А.М. Прохорова. На заседании было отмечено, что, к сожалению, медицинские разработки академических институтов практически не используются в клиниках и больницах Управления делами РАН. Сложившуюся ситуацию проанализировал в своем выступлении академик Ю.А. Гуляев. Ниже публикуются материалы этого заседания Президиума РАН.

По техническим причинам в этой публикации не воспроизведены иллюстрации - V.V.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
ОПТИКИ И ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ
ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

В.И. Конов, В.В. Осико, И.А. Щербаков
Конов Виталий Иванович - чл.-кор. РАН, директор Центра естественно-научных исследований.
Осико Вячеслав Васильевич - академик, директор Научного центра лазерных материалов и технологий.
Щербаков Иван Александрович - чл.-кор. РАН, директор Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.

С начала 60-х годов прошлого века, сразу же после создания Т. Мейманом первого рубинового лазера, в нашей стране и в США начались интенсивные исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом. Для лазерного излучения характерны: монохроматичность, высокая эффективная температура, острая направленность, благодаря чему удается концентрировать на значительных расстояниях огромную энергию и мощность, возможность варьировать режимы излучения от непрерывного до импульсного и импульсно-периодического с различной длительностью импульсов, наконец, когерентность и поляризация. Уникальное сочетание этих свойств позволяет реализовать различные механизмы взаимодействия - как тепловые (плазмообразование, абляция, испарение, плавление, нагрев), так и нетепловые (спектрально-резонансные) воздействия на вещества - от сугубо технологических (резка, сверление, сварка материалов, в том числе особо тугоплавких) до тончайших спектрально-селективных, оказывающих влияние на сложные атомные и молекулярные системы.

Естественно, что одной из первых возникла идея о применении лазерного излучения в медицине. Уже в начале 60-х по инициативе академика А.М. Прохорова и академика АМН М.М. Краснова проводились эксперименты по использованию излучения рубинового лазера для лечения глаукомы [1]. Были сконструированы, испытаны и внедрены в офтальмологические клиники первые лазерно-медицинские комплексы "Ятаган" и "Двина". В тот же период были осуществлены первые весьма удачные эксперименты по приварке с помощью лазерного излучения отслоившейся сетчатки глаза.

За истекшие 40 лет лазерные приборы и методики проникли практически во все разделы медицины. Особенно успешно используются лазеры в хирургии, терапии и в диагностике заболеваний. Вместе с тем сложилось понимание того, что как не существует лекарства-панацеи, так нет и лазера-панацеи. Каждый вид лазерной операции, каждая лазерно-медицинская методика требуют специфического сочетания основных параметров лазерного излучения и знания механизмов его взаимодействия с различными тканями.

Оптические методы и, в частности, методы инфракрасной оптики также находят применение в медицинской практике. Однако их диагностические возможности существенно ограничены из-за недостаточной чувствительности и пространственного разрешения современных инфракрасных систем. По той же причине не разработаны надежные диагностические критерии для различных патологий.

Достаточно условно можно выделить четыре основные области применения оптических и лазерных приборов в современной медицине:

• неинвазивные методы диагностики и контроля эффективности лечения (инфракрасная термография, лазерный спектральный анализ молекул-биомаркеров в выдыхаемом воздухе);

• малоинвазивные методы (спектрально-флуоресцентная диагностика биологических тканей и фотодинамическая терапия);

• методы активного лазерного воздействия в офтальмологии, стоматологии, урологии, дерматологии, отолорингологии и хирургии;

• световолоконные инструменты и катетеры, используемые при проведении эндоскопических внутриполостных операций.

ИНФРАКРАСНАЯ ТЕРМОГРАФИЯ

Сердечно-сосудистые заболевания занимают устойчивое первое место в мире по негативному влиянию на продолжительность жизни. Современные методы функциональной диагностики этих заболеваний (электрокардиография и ультразвуковая доплеровская диагностика состояния сосудов) не позволяют регистрировать ранние стадии воспалительных процессов и нарушения пространственного распределения кровотока в периферических сосудах.

На протяжении многих лет первоочередным критерием при диагностике различных заболеваний служит температура - важная характеристика функционального состояния биологических тканей. Пространственное распределение температуры помогает локализовать патологические процессы. Наиболее совершенный способ регистрации температуры - инфракрасная (ИК) термография. Этот диагностический метод абсолютно безвреден для человека, поскольку в его основе лежит принцип регистрации температурных полей по собственному излучению объектов. Метод может использоваться для профилактических обследований пациентов с целью раннего выявления таких патологических процессов, как спазм сосудов верхних и нижних конечностей, нарушения кровообращения при различных формах сердечно-сосудистой недостаточности, ранних стадиях формирования тромбозов и локальных нарушениях метаболизма на ранних стадиях воспалительных процессов в организме.

В ходе исследований процессов локального перегрева биологических тканей при действии электромагнитного излучения и ультразвука было показано, что матричные термовизионные ИК-системы способны регистрировать функциональные реакции периферических сосудов с чувствительностью и пространственно-временным разрешением, существенно превышающими параметры используемых в медицинской практике термовизионных диагностических систем. Техника ИК-термографии существенно улучшилась за последние пять лет. Созданы матричные термовизионные ИК-системы, работающие в диапазоне 3-5 мкм. Их пространственное разрешение составляет 256 х 256 элементов, чувствительность, ограниченная тепловыми шумами, - 0.03 К. Так, в Институте общей физики, совместно с ЗАО "Матричные технологии" (г. Зеленоград, РАСУ) разработана ИК-камера ЛИК-2, не уступающая зарубежным по чувствительности при аналогичном пространственном разрешении и достаточной для диагностических целей скорости регистрации (25-50 кадров в секунду). В качестве инфракрасного детектора в ней использована оригинальная монолитная тепловизионная ПЗС-матрица на основе барьера Шоттки PtSi/Si [2], работающая в среднем инфракрасном диапазоне (3-5 мкм).

Технология производства этой матрицы относится к кремниевым. Заметим, что микроэлектронные приборы, производимые по кремниевой технологии, помимо сверхбольшой интеграции, отличаются большой надежностью и долговечностью, высокой однородностью и стабильностью параметров и при этом относительно недороги, то есть удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к микроэлектронике для массового применения. Это в полной мере относится и к тепловизионным матрицам на основе силицида платины. Они представляют собой не что иное как монолитную кремниевую микросхему, объединяющую в одном кристалле 65 536 диодов Шоттки на основе силицида платины, чувствительных в средней инфракрасной области спектра, и электронную схему управления матрицей и считывания телевизионного сигнала (мультиплексор).

На базе камеры ЛИК-2 разработан исследовательский тепловизионный комплекс. С его помощью проводились ранняя диагностика заболеваний молочной железы (рак, предраковые патологии) и диагностика нарушений периферического кровоснабжения нижних конечностей, а также осуществлялся контроль и объективизация эффекта улучшения периферического кровоснабжения после применения препарата "Перфторан" [3-5].

Приведем предварительные результаты обследования больного облитерирующим атеросклерозом (рис. 1 ), полученные совместными усилиями сотрудников Института биофизики клетки РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, который является разработчиком препарата "Перфторан", и Центра реабилитации Медицинского центра Управления делами Президента РФ. Тепловизионная техника позволяет контролировать действие этого газотранспортного кровезаменителя на кровоснабжение больных облитерирующим атеросклерозом. Больному, который при поступлении на лечение с трудом передвигался, внутривенно были введены две дозы "Перфторана" в общем объеме 200 мл. Через двое суток он уже смог преодолеть расстояние в несколько километров.

ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

В выдыхаемом человеком воздухе содержится около 600 летучих соединений, в том числе молекулы-биомаркеры эндогенного (продуцируемого в организме) происхождения, механизмы образования или выделения которых обладают специфичностью, достаточной для исследования как нормальных, так и патологических процессов. Высокая чувствительность и селективность анализа отдельных газообразных компонентов выдыхаемого воздуха (от одной до тысячи молекул на миллиард и лучше) обеспечивается методами диодной лазерной спектроскопии [6-10].

Диодные лазеры, используемые в качестве источника перестраиваемого монохроматического излучения, обладают редким сочетанием параметров. Они перекрывают широкую спектральную область (0.6-40 мкм), где расположены линии поглощения многочисленных молекул. При небольшой мощности излучения (~1 мВт) лазеры данного типа обладают узкой линией (Dn/n < 10-7) и широ-кодиапазонной перестройкой частоты генерации. Это позволяет с высокой точностью измерять параметры отдельных линий поглощения, принадлежащих колебательно-вращательным спектрам газообразных молекул, и измерять концентрацию исследуемых веществ. Миниатюрность диодных лазеров облегчает их интегрирование в многокомпонентные аналитические системы, в том числе с применением инфракрасной волоконной оптики.

Методами диодной лазерной спектроскопии в выдыхаемом человеком воздухе можно детектировать достаточно легкие газообразные молекулы-метаболиты типа СО, CO2, NO, NO2, N2O, NН3, H2O, H2O2, C2H4,C2H6, CH2O, CH4, СН3ОН, С2Н5ОН, CS2, H2S, C5H12 и др. диапазоне концентраций от 0.1 мкг/м3 до 10 мг/м3 проводить высокоточную регистрацию изотопомеров этих молекул, содержащих такие стабильные нуклеотиды, как D, 13С, 18O, 15N и 35S; осуществлять долговременный мониторинг содержания перечисленных выше соединений, а также исследовать динамику их содержания в режиме реального времени (без накопления или обогащения анализируемой газовой смеси); изучать газообмен у малых лабораторных животных и растений.
Методы высокочувствительной лазерной диа-гностики выдыхаемого воздуха развиваются более 10 лет в Институте общей физики совместно с рядом медицинских научных учреждений. Разрабатываемые аналитические системы базируются на диодных лазерах среднего инфракрасного диапазона, изготавливаемых в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН и Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН. Уже созданы приборы для детектирования в выдыхаемом человеком воздухе СО, NO, NН3, CH4 (чувствительность на уровне ~1 мкг/м3). С их помощью ведется разработка новых методов биомедицинской неинвазивной диагностики заболеваний в пульмонологии, гастроэнтерологии, гепатологии, а также в фундаментальных исследованиях по нормальной и гипербарической физиологии.

Создан также лазерный анализатор изотопического отношения углерода 13С/12С в выдыхаемом человеком СО2, позволяющий детектировать изменения относительной концентрации 13СО2 и 12СО2 с точностью - 0.5% и быстродействием - 20 с [10]. Продемонстрирована возможность его применения в дыхательных тестах с использованием препаратов, меченных стабильным изотопом углерода 13С. В частности, лазерный анализатор был с успехом апробирован в реальной клинической практике для неинвазивной диагностики инфицированности желудочно-кишечного тракта бактерией Н. pylori. Наличие этих бактерий приводит к резкому увеличению доли 13СО2 в выдыхаемом человеком воздухе в течение первых 30 минут после приема мочевины, меченной углеродом 13С (13С-уреазный дыхательный тест). Если инфекция отсутствует, то изотопическое отношение 13С/12С в выдыхаемом воздухе остается неизменным (рис. 2). С помощью лазерного изотопного анализа обследовано более 600 пациентов. Результаты тестов использовались как для диагностики заболеваний, так и для сопоставления эффективности применяемых многокомпонентных схем терапии заболеваний желудка и двенадцатиперстной кишки, ассоциированных с вышеназванной инфекцией.
 

рис. 2. Динамика изменений изотопического отношения углерода в выдыхаемом воздухе у двух инфицированных Н. pylori (черные значки) и двух неинфицированных (пустые значки) испытуемых после приема мочевины, меченной углеродом-13
СПЕКТРАЛЬНО-ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ ДИАГНОСТИКА И ФОТОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

Известно, что специальный фотосенсибилизатор, введенный в организм человека, например через кровь, может накапливаться преимущественно в злокачественных новообразованиях. Он также обладает способностью эффективно поглощать лазерное излучение в определенном спектральном диапазоне (обычно используется красный свет, достаточно глубоко проникающий в биоткани). При световом воздействии фотосенсибилизатор расходует значительную часть поглощенной энергии на возбуждение расположенных вблизи него молекул кислорода, переводя их в синглетное состояние и делая сильным окислителем, разрушающим опухолевую ткань, в которой происходит накопление фотосенсибилизатора. Таким образом, реализуется процесс фотодинамической терапии. И наконец, часть поглощенной лазерной энергии фотосенсибилизатор излучает: он флуоресцирует. Измеряя параметры этого излучения, можно проводить спектрально-флуоресцентную диагностику как независимо, так и в сочетании с фотодинамической терапией.

Сама эта методика в нелазерном виде была известна еще в древнем мире (до нас дошли описания успешного лечения онкологических заболеваний кожи при помощи экстрактов трав и солнечного света). Лазерные исследования начались в 70-х годах прошлого века, но их практический выход долгое время сдерживался в силу недостаточности знаний о механизмах взаимодействия лазерного излучения с биотканями, отсутствием качественных фотосенсибилизаторов, необходимостью разработки медицинских методик и оборудования. Требовалась концентрация усилий специалистов различных областей знаний - физиков, химиков, медиков и биологов.

В нашей стране в 1989 г. был организован временный научный коллектив "Медицинские лазеры и оптическая диагностика", в который вошли представители Института общей физики РАН, 1-го Московского медицинского института, ВНИИ оптико-физических измерений, Научного института органических полупродуктов и красителей и ряда других организаций. В рамках этого коллектива была образована специализированная лаборатория "Лазерная биоспектроскопия", состоящая в основном из физиков и инженеров, работавших непосредственно в клиниках. Такой своего рода "десант" физиков в медицину оказался исключительно эффективным.

Создание Межведомственной научно-технической программы "Разработка и внедрение в медицинскую практику новых методов и средств диагностики и лечения онкологических и других заболеваний", включающей раздел "Разработка и внедрение в медицинскую практику метода флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии (ФДТ) онкологических заболеваний с использованием препаратов на основе фталоцианинов и их аналогов", привело к концентрации усилий в этой области, по сути, всех ведущих специалистов. Благодаря хорошему финансированию исследовательских и опытно-конструкторских разработок, осуществляющемуся главным образом Правительством Москвы, были получены практические результаты, соответствующие или превышающие мировой уровень [11-15].

При разработке методов и оборудования для оптической диагностики онкологических и иных заболеваний необходимо было учитывать два важных требования. Во-первых, измерения, обработка и анализ результатов желательно проводить в режиме реального времени (непрерывный мониторинг). Во-вторых, диагностика должна быть неинвазивной или, по крайней мере, малоинвазивной - не только не повреждать исследуемый орган, но и не изменять его свойства. Кроме того, предлагаемые методы не должны были влиять на продолжительность стандартных клинических исследований.

С точки зрения оптики, биологическая ткань представляет собой неоднородно рассеивающую среду, весьма быстро меняющуюся во времени, перемещающуюся в пространстве и плохо пропускающую свет. Дополнительные сложности возникают в связи с тем, что в большинстве случаев к исследуемой биоткани можно подобраться только с какой-нибудь одной стороны, причем доставить излучение зачастую удается лишь с помощью тонких и гибких волоконных световодов. При этом практически любой орган имеет многослойную структуру, и слои могут обладать совершенно различными оптическими свойствами, которые меняются от человека к человеку, зависят от времени, болезни и т.д.

По существу, единственным дарованным природой позитивным фактором в плане биоспектроскопических исследований биотканей является то, что в диапазоне длин волн 600-1000 нм подавляющее большинство тканей оптически прозрачно. Коэффициент рассеяния излучения и в этом спектральном диапазоне остается высоким, однако индикатрисса рассеяния в тканях и крови такова, что если фотон попал в ткань, то вероятность его рассеяния вдоль направления движения многократно превосходит вероятность его рассеяния в других направлениях.

Классическая флуоресцентная спектроскопия твердого тела обычно подразумевает возбуждение в ультрафиолетовой области спектра и регистрацию в видимом или ближнем инфракрасном диапазонах. Первоначально в исследованиях для облучения применялись линии криптонового (405 нм), азотного (337 нм) или эксимерного XeCI-лазера (308 нм), а наблюдение флуоресценции биотканей проводилось, как правило, в окне их прозрачности. В серии экспериментов было продемонстрировано, что спектры в целом ряде случаев позволяют характеризовать биоткань, например, с точки зрения механизма ее дыхания даже без использования фотосенсибилизаторов. При ультрафиолетовом возбуждении возникают флуоресцирующие компоненты дыхательной цепи клеток. Те компоненты, которые отвечают за кислородный (аэробный) способ дыхания, флуоресцируют в синей области спектра, а за анаэробный - в зеленой. В первом приборе для спектрально-флуоресцентной диагностики приемником излучения служил компактный полихроматор с диодной линейкой и усилителем яркости.

Вместе с тем эти исследования выявили две принципиальные проблемы, ограничивающие диагностику биотканей с ультрафиолетовой подсветкой. С одной стороны, такое излучение поглощается в очень тонких поверхностных слоях тканей. При этом существенно сужается круг возможных применений и, кроме того, наблюдается значительный статистический разброс данных, обусловленный влиянием "загрязнения" поверхности. С другой стороны, возникли трудности с использованием волоконных средств доставки излучения. Например, излучение азотного лазера возбуждало флуоресценцию кварцевого волокна, которая "забивала" полезный сигнал флуоресценции биоткани. Более интенсивное излучение эксимерного лазера вдобавок могло еще разрушать торцы световодов.

Переход к лазерам красного диапазона позволил получать на достаточно большой глубине (до 2 мм) надежные, воспроизводимые данные флуоресцентного анализа биотканей. Наилучшим образом зарекомендовал себя простой и дешевый гелий-неоновый лазер (630 нм). С его помощью удалось освободиться от флуоресценции ферментов дыхательной цепи, экранирующих флуоресценцию эндогенных порфиринов и фотосенсибилизаторов, а также избавиться от крайне нежелательного поглощения зондирующего излучения гемоглобином. В дальнейшем полупроводниковые лазеры позволили продвинуться к еще большим длинам волн (675 нм), требующимся для облучения новых препаратов.

Критической оказалась проблема конструирования катетерных (эндоскопических) систем доставки зондирующего излучения и регистрации сигналов флуоресценции биотканей. Первоначально наиболее перспективной представлялась идея использования одного и того же волокна для доставки возбуждающего (вперед) и приема (назад) рассеянного от ткани лазерного излучения и сигнала флуоресценции. Однако серьезным препятствием на пути ее реализации стала флуоресценция самого волокна, превышающая по интенсивности флуоресценцию исследуемой биоткани. Причем трудности усугублялись изменением собственной флуоресценции волокон во время измерений в зависимости от степени их изгиба и ряда других факторов. Избавиться от нее можно было только при существенном увеличении стоимости оптоволоконной системы, которая в идеале должна быть одноразовой. Тем не менее в некоторых случаях, например, при диагностике мозга, глаз, коронарных сосудов, когда применение многоволоконных устройств затруднено, одноволоконный подход остается привлекательным.

Использование многоволоконных оптических устройств определяется не только тем, что они оказались более предпочтительными с экономической точки зрения. Дело в том, что, регулируя расстояние между передающим и приемным волокном, мы меняем глубину зондирования биологической ткани. Чем больше это расстояние, тем больше глубина зондирования.

Оптоволоконная система состоит из центрального (передающего лазерное излучение) кварцевого многомодового волокна диаметром от 200 до 600 мкм и длиной 3-6 м, а также шести и более приемных кварцевых многомодовых волокон диаметром 100-400 мкм, расположенных на расстоянии 1 мм от оси. На выходе световода приемные волокна формируются в линейку, создавая своеобразную щель высокочувствительного спектрометра с минимальными потерями света и разрешением не хуже 1-3 нм.

В ходе клинических исследований возникли дополнительные проблемы методического характера, связанные с тем, что во время реальной медицинской процедуры световод подводится к объекту под разными углами и на разные расстояния. Это может приводить к сильному разбросу результатов измерений и, как следствие, к диагностическим ошибкам. Чтобы избавиться от них, требовалось ввести в измерения нормировку, то есть найти некий эталонный параметр, с которым соотносились бы регистрируемые сигналы. И он был найден в известной мере случайно.

Обычно при регистрации спектров флуоресценции фильтр не пропускает рассеянное лазерное излучение на измерительную диодную линейку, чтобы избежать высокого уровня светового шума. В ряде опытов оптическая плотность фильтра была недостаточной для подавления лазерного излучения и уменьшенная примерно в 10 тыс. раз лазерная линия появлялась вместе со спектром флуоресценции на экране монитора. При этом оказалось, что отношение интенсивности флуоресценции к интенсивности лазерной линии четко коррелировало с типом исследуемой биоткани и оставалось стабильным даже при значительном изменении экспериментальных параметров.

В результате проведенных исследований были созданы уникальные лазерные многоволоконные спектроскопические установки, которые позволяют достаточно надежно вести диагностику, в том числе и внутриполостную, различных онкологических заболеваний. Делать это можно двумя способами. Один предусматривает использование фотосенсибилизаторов. С его помощью можно не только отличать нормальные биоткани от патологических и определять их локализацию, но и контролировать накопление в них (измерять содержание) фотосенсибилизатора. Другой способ связан с известным эффектом красного свечения опухолей, который обусловлен естественным накоплением в них эндогенных порфиринов. Нормировка на рассеянную назад лазерную линию позволила абстрактное свечение опухолей в красном диапазоне перевести на язык цифр и проводить в целом ряде практически важных случаев существенно упрощенную, но эффективную спектрально-флуоресцентную диагностику без введения фотосенсибилизаторов.

В отечественную медицинскую практику допущены два фотосенсибилизатора - Фотосенс (фталоцианин алюминия, длина волны излучения 675 нм) и Аласенс (5-Аминолевулиновая кислота, 635 нм). Они успешно конкурируют с еще одним разрешенным отечественным препаратом Фотогем (производные гематопорфирина, 630 нм), а также с зарубежными препаратами (Фотофрин, Фотосан, HpD). Отметим, что стоимость зарубежных препаратов более чем на порядок выше. Выявлены новые стимулирующие препараты и физические воздействия (аскорбиновая кислота, ультразвук, гипербарическая оксигенация), усиливающие действия фотосенсибилизаторов.

Для успешного осуществления фотодинамической терапии необходимо выполнить три условия:

• патологические клетки должны более интенсивно, чем нормальные, накапливать фотосенсибилизатор, или мы должны заставить их это делать;

• вблизи фотосенсибилизатора должно находиться достаточно большое количество молекулярного кислорода;

• число падающих фотонов должно быть достаточным для уничтожения химическим путем (в данном случае через окислительные реакции) патологических клеток и при этом не слишком большим, чтобы не вызвать термические повреждения, хотя в ряде методик такие повреждения могут оказаться полезными.

Требуемая доза фотосенсибилизатора, вводимая обычно внутривенно, составляет для препаратов Фотосенс 0.5-0.8 мг и Аласенс 10-30 мг на килограмм веса пациента. Время, которое может быть затрачено на фотодинамическую терапию, изменяется от 10-15 минут для полых органов до часа для кожных новообразований. Если размеры опухолей порядка нескольких миллиметров, то для проведения фотодинамической терапии, учитывая, что длины волн облучения выбранных препаратов 675 и 635 нм, достаточно иметь лазер со средней мощностью 1-2 Вт, работающий в непрерывном режиме.

Через определенный промежуток времени после введения фотосенсибилизатора, когда разница между его накоплением в опухолевой и здоровой ткани максимальна, с помощью диагностического лазера мощностью всего 10 мВт измеряется флуоресценция самой опухоли и окружающей ткани. По данным этих измерений устанавливается концентрация препарата в различных участках опухоли, уточняются ее границы, рассчитывается требуемая плотность мощности и время облучения. Далее к пораженным участкам через специальный световод с рассеивателем подводится излучение терапевтического лазера. Длительность его работы также контролируется по монитору, демонстрирующему спектры флуоресценции из зоны облучения (рис. 4).

рис. 4. Спектры флуоресценции опухоли желудка и нормальной ткани желудка через три часа после перорального введения 300 мг фотосенсибилизатора Аласенс. Приведен также спектр опухоли после проведения сеанса фотодинамической терапии (ФТД); пик на длине волны 633 нм соответствует рассеянному излучению диагностического лазера Важную дополнительную информацию можно получить, подсвечивая зону фотодинамической терапии широкополосным видимым излучением (например, от галогенной лампы) и анализируя его амплитудно-частотные характеристики. Анализ таких спектров позволяет оценить степень оксигенации гемоглобина крови. Этот параметр отражает, с одной стороны, скорость потребления кислорода в тканях и, следовательно, интенсивность фотохимических реакций (при отсутствии кислорода в облучаемой опухоли продолжение процедуры фотодинамической терапии становится бессмысленным), а с другой стороны - степень разрушения капиллярного русла в процессе фотодинамической терапии.

В рамках программы, финансируемой Правительством Москвы, в Институте общей физики разработан и производится инновационной фирмой ЗАО "Биоспек" комплекс аппаратуры ДТКЗМ - кабинет спектрально-флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии онкологических заболеваний (рис. 5). В зависимости от используемого фотосенсибилизатора лазерная установка для спектрально-флуоресцентной диагностики опухолей и контроля фотодинамической терапии комплектуется либо гелий-неоновым, либо полупроводниковым лазером мощностью около 10 мВт. В базовом варианте спектральный диапазон измерений составляет 300—800 нм (возможен также вариант 450-1100 нм). Установка снабжается волоконно-оптическими зондами. Мощное программное обеспечение дает возможность получать информацию в режиме реального времени, сравнивать степень накопления препарата в пораженных органах с эталоном или со здоровой тканью, анализировать собственную флуоресценцию биологических тканей.

Установка для фотодинамической терапии внутриполостных, внутритканевых и поверхностных опухолей оборудована полупроводниковым лазером с длиной волны излучения 630 ± 10 или 675 ± 10 нм и мощностью до 2 Вт. Предусмотрен набор волоконно-оптических катетеров для различных локализаций опухолей, включая легкие, желудок, мочевой пузырь и молочную железу. Здесь же размещается светодиодная лампа, оптическая мощность излучения которой не менее 1 Вт, для фотодинамической терапии поверхностных опухолей. Длина волны ее излучения в зависимости от выбранного типа фотосенсибилизатора может быть 630 ± 10 или 675 ± 10 нм, плотность мощности в центре зоны облучения - не менее 40 мВт/см2. Излучение фотодиодов образует на облучаемой поверхности круг диаметром около 10 см с равномерным распределением света внутри него. Встроенная видеокамера высокой чувствительности дает возможность наблюдать на экране видеомонитора флуоресцентное изображение опухолей (минимально регистрируемая концентрация препарата в коже 0.1 мг/кг), определять границы участков с повышенным накоплением фотосенсибилизатора.

Оборудование для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии успешно используется как в научных исследованиях, так и в ведущих клиниках Москвы, Нижнего Новгорода, Саранска. В России и странах ближнего зарубежья реализованы 33 диагностические и 20 терапевтических систем, в Германии, Японии, Израиле, Греции, Южной Корее, Польше - соответственно 18 и 5 (данные на декабрь 2002 г.).

В клиниках Московской медицинской академии, Российского и Московского онкологических научных центров и других медицинских учреждениях флуоресцентную диагностику прошли более 5 тыс. пациентов. При этом чувствительность и специфичность результатов во многих случаях оказались очень высокими. Например, при использовании препарата Аласенс для опухолей мочевого пузыря чувствительность достигает 98%, специфичность - 75%. Весьма обнадеживающие данные лечения более 2500 пациентов методом фотодинамической терапии представил Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена (табл.).

Результаты эндоскопического лечения раннего рака (препарат Фотосенс)

Результат
Количество опухолей
Гортань
Легкие
Пищевод
Желудок
Полная регрессия
Частичная регрессия
Итого
Рецидив
217 (86%)
34 (14%)
251
17 (7%)
27 (90%)
3 (10%)
30
2 (7%)
127 (95%)
6 (5%)
133
6 (5%)
27 (77%)
8 (23%)
35
5 (14%)
36 (68%)
17 (32%)
53
4 (8%)

Многолетнее сотрудничество Института общей физики и Московского научно-исследовательского онкологического института привело к созданию спектрально-флуоресцентной диагностической установки "Спектр-Кластер" [16, 17]. В качестве источников возбуждения в ней используются излучения гелий-кадмиевого (441 нм), гелий-неонового (633 нм) или вторая гармоника неодимового лазера (0.53 нм). Установка применяется для ранней диагностики злокачественных новообразований кожи, слизистых оболочек рта, полых органов дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы.

МЕДИЦИНСКИЕ ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ

Пульмонология. Микробактерии туберкулеза в ряде случаев (до 40%) оказались устойчивыми к лекарственным препаратам. Это обстоятельство привело к развитию метода местного воздействия на туберкулезную каверну, дополненного таким физическим лечебным фактором, как ультрафиолетовое лазерное излучение, обладающее бактерицидным действием [18]. Внедрением этого метода в лечебную практику активно занимался в течение последних лет Центральный НИИ туберкулеза РАМН. Лазерная медицинская аппаратура разрабатывалась в Институте общей физики.

Эндокавитарная методика лечения туберкулеза легких была продемонстрирована с помощью лазерной медицинской установки "Альмицин", в которой используется азотный лазер с длиной волны излучения 337 нм [19]. Этот лазер работает на атмосферном воздухе, что крайне удобно для применения в медицинской практике. Его излучение по световоду, проходящему через иглу шприца, заводилось в каверну, и в течение 5-10 минут происходило облучение ее внутренней полости. После отработки медицинской методики удалось гарантировать сокращение сроков лечения больных фиброзно-кавернозным туберкулезом как минимум вдвое, а также возможность лечения пациентов, невосприимчивых к химиотерапии.

Как показали дальнейшие исследования, пик гибели микробактерий лежит в области 240-280 нм [20], что потребовало создания лазерной медицинской установки, работающей в этом диапазоне. В трех ведущих клиниках России - Центральном НИИ туберкулеза РАМН, Московском городском научно-практическом центре борьбы с туберкулезом. Научно-исследовательском институте физиопульмонологии - прошла клинические испытания установка "Мария" с экспериментальным KrF-лазером, длина волны излучения которого 248 нм [21].

Эндокаветарное облучение легких начинается с рентгенологической детализации томографии каверны и нанесения метки на кожу грудной клетки. Затем под местной анестезией проводится пункция каверны иглой 120х2 мм или же каверну дренируют тонким полиэтиленовым катетером. Точное попадание в каверну определяется аспирацией воздуха и гнойного содержимого каверны. Через просвет иглы или же установленный дренаж в ее полость вводится многоволоконный разовый стерильный наконечник с рассеивателем лазерного излучения. Через оптический разъем наконечник соединяется с магистральным световодом в виде оптического шарнирного манипулятора. Экспозиция облучения для каждого больного вычисляется на основании заранее измеренного по рентгенограмме диаметра каверны и интенсивности лазерного излучения на выходе из световода. По окончании сеанса лазерного облучения в полость каверны вводится суточная доза водорастворимого противотуберкулезного препарата.

Курс лечения составляет 10-12 сеансов лазерного облучения полости деструкции. Положительная динамика у больных основной группы отмечается в 84.2% случаях, в то время как у больных группы сравнения - лишь в 28.6% случаях, то есть число больных, у которых достигнута относительная клиническая стабилизация туберкулезного процесса, в основной группе в 2.9 раз больше, чем в группе сравнения.

По своим функциональным возможностям лазерная медицинская установка "Мария" не имеет аналогов в хирургии, так как генерирует ультрафиолетовое излучение с длиной волны 248 нм, расположенной в непосредственной близости к пику бактериостатического и бактерицидного действия света. Установка "Мария" получила золотую медаль на 51-м Всемирном салоне изобретений, научных исследований и промышленных инноваций "Брюссель-Эврика 2002".

Офтальмология. Число людей, страдающих различными недостатками зрения, чрезвычайно велико - только в России их более 70 млн. человек. По статистике каждый пятый человек близорук, с возрастом же, как правило, развивается дальнозоркость. Это приводит к тому, что практически каждый вынужден прибегать к коррекции зрения (очки, контактные линзы, хирургическая или лазерная коррекция). Спрос на подобные операции чрезвычайно высок. По статистике МНТК "Микрохирургия глаза" им. С.Н. Федорова, ежегодно с теми или иными офтальмологическими заболеваниями обращаются более 600 тыс. пациентов, причем для многих из них проблемы зрения могли бы быть решены с помощью специализирванных эксимерных лазерных установок.

Коротко напомним о причинах типичных недостатков зрения. При эметропическом (нормальном) зрении излучение, попадающее в глаз, фокусируется на сетчатке, в случае близорукости -перед сетчаткой, а в случае дальнозоркости - за сетчаткой. Астигматизм человеческого глаза -это проявление асимметрии профиля роговицы в различных направлениях. В связи с тем, что основной вклад (>40D) в оптическую силу глаза вносит роговица, корректируя ее форму, можно приблизить зрение к эметропическому.

Для этой цели в офтальмологии в последние годы используется излучение эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Его поглощение роговицей глаза чрезвычайно велико, а глубина проникновения в глаз мала. При воздействии такого излучения на роговицу происходит фотоабляция очень тонкого ее поверхностного слоя. Плавно изменяя плотность энергии излучения и дозу, можно осуществить неконтактное удаление слоев ткани с точностью до долей микрона. Таким образом, путем воздействия лазерным излучением на роговицу глаза удается с очень высокой точностью придавать ей форму, необходимую для обеспечения эметропической рефракции. Как правило, операция на одном глазу длится 15-60 секунд, реабилитационный период составляет день-два, после чего пациент возвращается к нормальной жизни.

Центр физического приборостроения Института общей физики совместно с МНТК "Микрохирургия глаза" разработал два типа систем на основе эксимерного лазера с использованием различных технологических приемов обработки роговицы. Офтальмологическая эксимерная система "Профиль-500" предназначена для коррекции близорукости [22]. Уникальная технология формирования гауссова профиля распределения плотности энергии лазерного пучка обеспечивает исключительную гладкость поверхности роговицы, полную эпителизацию в течение 24-48 часов, отсутствие послеоперационных роговичных помутнений. Установка дает возможность как равномерного, так и переменного перепрофилирования кривизны роговицы по всей зоне воздействия. Это позволяет производить коррекцию астигматизма и миопии (близорукости) любой степени. В России и за рубежом работают 12 таких систем, на которых проведено более 30 тыс. операций.

В офтальмологической эксимерной системе "Микроскан" (рис. 6) используется технологический прием обработки роговицы, называемый "летающее пятно" [23]. На роговице глаза формируется лазерное пятно диаметром 1.1 мм. С помощью двух управляемых от компьютера гальванозеркал, лазерный пучок перемещается по роговице глаза, обеспечивая испарение роговицы в заранее заданных областях. Такая технология позволяет проводить эффективную коррекцию зрения при минимальном удалении ткани роговицы. "Микроскан" снабжен системой слежения за глазом, благодаря которой каждый импульс лазера попадает точно в расчетную точку. "Микроскан" предназначен для коррекции миопии, гиперметропии (дальнозоркости) и всех типов астигматизма, а также персонализированной абляции роговицы с учетом данных топографии и аберрометрии глаза. Располагая данными кератотопографа и аберрометра, можно скорректировать индивидуальные рефракционные аномалии каждого конкретного глаза, в полной мере используя возможности сканирующей системы. С начала 2002 г., когда было получено разрешение Минздрава России на применение "Микроскана" в России и за рубежом (Китай, Нигерия, Молдавия), функционируют 10 установок и проведено более 7 тыс. операций.

Эстетическая хирургия. Лазерная хирургия кожи и косметология, в первую очередь лазерная шлифовка кожи (Laser Skin Resurfacing), - бурно развивающаяся область лазерной хирургии. Только лазерное воздействие позволяет строго контролировать удаление слоев ткани без поражения окружающих областей. По совокупности параметров оптимальным для этих целей считается СО2-лазер (10.6 мкм), длительность импульса которого 100 мкс, энергия в импульсе около 100 мДж. Подобный тип лазеров обеспечивает при воздействии на ткань режим абляции, когда подавляющая часть лазерной энергии затрачивается на удаление ткани без избыточного нагрева и термического повреждения окружающих слоев.

Обычно используются волноводные СО2-лазе-ры с радиочастотной накачкой (например, медицинская установка UltraPulse 5000 фирмы "Coherent"). Однако эти лазеры сложны и дороги (порядка 200 тыс. долл.). Существует другой хорошо разработанный метод возбуждения СО2-лазера поперечным объемным разрядом. С технической точки зрения, он гораздо проще и дешевле радиочастотной накачки. Однако лазеры этого типа, как правило, генерируют импульсы длительностью менее 1 мкс, что исключает возможность производительного режима абляции ткани из-за формирования плазмы оптического пробоя и генерации сильных ударных и звуковых волн в ткани.

В Институте общей физики разработан импульсно-периодический СО2-лазер [24] с оригинальной схемой формирования разряда и вращающимся электродом, одновременно обеспечивающим циркуляцию газовой смеси. Для коммутации разряда использован вращающийся пассивный разрядник. Лазер работает на смеси газов CО2-N2 без обычно применяемого в подобных системах гелия. Эксперименты показали, что такая схема обеспечивает необходимую длительность импульса 10 мкс, энергию импульса 70-100 мДж при частоте повторения не менее 100 Гц и стабильность газовой смеси (108 импульсов без замены газа). Совместно с центром лазерной медицины "Астр" была создана медицинская установка "Аптор", стоимость которой как минимум на порядок меньше стоимости зарубежных аналогов. На ней уже выполнено более 80 операций при различных патологиях (рис. 7). Установка прошла клинические испытания и получила разрешение Минздрава России на серийное производство.

Урология. Для эндоурологических отделений больниц разработан опытный образец лазерного урологического комплекса (рис. 8), состоящий из трех основных модулей:

• скальпеля-коагулятора на основе импульсно-периодического ЦАГ:Nd-лазера для вмешательств, связанных с рассечением, испарением и коагуляцией тканей; предназначен для лечения доброкачественной гиперплазии предстательной железы, стриктур уретры, опухолей мочевого пузыря;

• литотриптора на основе твердотельного лазера с модулированной добротностью и преобразованием излучения во вторую гармонику нелинейным кристаллом КТР; предназначен для лечения мочекаменной болезни путем фрагментации камней мочевых и желчных путей;

• видеосистемы, обеспечивающей при хирургическом вмешательстве возможность просмотра в реальном времени на экране монитора видео-изображения с эндовидеокамеры.

В зависимости от длительности лазерного импульса возможны два механизма фрагментации камней: фототермический и фотоакустический. При длительностях 100-500 мкс, свойственных современным гольмиевым лазерам (2.08 мкм), реализуется фототермический механизм фрагментации камней за счет плавления и химического разложения вещества камня. При этом велик риск термического повреждения окружающих камень тканей. При длительностях порядка 1-5 мкс и менее реализуется "взрывной" механизм фрагментации камней, характеризующийся генерацией ударных волн. Микросекундный диапазон длительностей лазерных импульсов оказывается оптимальным, поскольку наряду с эффективным разрушением камней обеспечивается высокая лучевая стойкость волоконного световода, по которому излучение доставляется в зону воздействия [25].

В Институте общей физики на протяжении многих лет проводились исследования по определению оптимальных параметров лазерного излучения для фрагментации камней мочеточника. Установлено, что фрагментация камней разного химического состава эффективна при одновременном воздействии излучением первой (1.06 мкм) и второй (0.53 мкм) гармоник твердотельного неодимового лазера, длительность импульса излучения которого более 300 нс [26]. Потребовалось создание твердотельного лазера с преобразованием излучения во вторую гармонику и длительностью импульса в микросекундном диапазоне, крайне нехарактерном для работы такого типа лазера. В лазерном литотрипторе использована оригинальная конструкция оптического резонатора твердотельного лазера, генерирующего импульсы микросекундной длительности [27]. Эффективность преобразования излучения во вторую гармонику составляет 30% при общей выходной энергии импульса 150 мДж.

Приобретение урологической клиникой двух разных лазеров для решения всего спектра клинических задач при существующих ценах экономически не выгодно. Опытный образец лазерного урологического комплекса, созданный на базе дешевых, освоенных промышленностью твердотельных лазерных компонентов, содержит в себе два разных по назначению лазера по цене одного. Управление комплексом осуществляется с помощью современных цифровых технологий. Встроенный процессор для управления и контроля выходных параметров и 15" жидкокристаллический монитор позволяют в режиме реального времени вести наблюдение за ходом эндохирургического вмешательства. Разработано программное обеспечение для записи, архивирования оцифрованных видеофайлов.

Дерматология. В рамках российско-белорусской программы создана установка для дерматологии, в которой используется неодимовый лазер с нетипичной для этих лазеров длиной волны излучения - 1.44 мкм. Поскольку сечение перехода ионов неодима, обеспечивающего генерацию на указанной длине волны, более чем на порядок меньше сечения основного лазерного перехода в области 1.06 мкм, при разработке данного лазера возникли принципиальные трудности. Проблема была решена путем применения специального трехзеркального "ломаного" резонатора и многослойных селективных зеркал [28].

Интерес к длине волны 1.44 мкм, с точки зрения медицины, объясняется тем, что ткань живых организмов более чем на 80% состоит из воды. Поэтому специфика воздействия излучения на ткань во многом зависит от того, как это излучение поглощается водой (рис. 9). Так, для инфракрасного излучения наибольшее значение коэффициента поглощения (a) воды соответствует длинам волн эрбиевых кристаллических лазеров, излучающих в области 3 мкм (a = 103 см-1), и СО2-лазеров, излучающих в области 10 мкм (a = = 104 см-1); наибольшее пропускание соответствует ближнему инфракрасному диапазону (0.7-0.9 мкм). Именно это обстоятельство в значительной степени определяет особенности применения того или иного лазера в медицине.
 

рис. 9. Спектр поглощения воды Стрелками обозначены длины волн излучения некоторых лазеров Поглощение на длине волны 1.44 мкм соответствует поглощению излучения применяющегося в медицине гольмиевого кристаллического лазера (2 мкм). Однако гольмиевый лазер работает по квазитрехуровневой схеме, и поэтому его выходные параметры сильно зависят от температуры, что делает его практическое применение не совсем удобным. Неодимовый лазер лишен этого недостатка и может с успехом заменить гольмиевый [29]. Максимальная средняя мощность генерации неодимового лазера составляет 20 Вт при частоте следования импульсов до 100 Гц и длительности импульса 100-300 мкс. Управление установкой осуществляется с помощью процессора и жидкокристаллического монитора.

Хирургия. Относительно безопасное для зрения 1.5-микронное лазерное излучение обеспечивает возможность испарения тканей при одновременном хорошо выраженном коагулирующем эффекте (остановка кровотечения) и минимально выраженных эффектах карбонизации тканей и коагуляционного некроза. Эту длину волны излучения получили, применив в качестве активной среды разработанный в Институте общей физики лазер на основе эрбиевого фосфатного стекла оригинального состава. При создании стекла были использованы результаты многолетних фундаментальных исследований по переносу энергии электронного возбуждения в конденсированных средах. В описываемой активной среде энергия переносится от ионов трехвалентного неодима на трехвалентные ионы иттербия и далее - на рабочие частицы трехвалентного эрбия. Небезынтересно заметить, что тот же фундаментальный эффект эксплуатируется и в методе фотодинамической терапии, когда осуществляется перенос энергии от возбужденных молекул красителя на ионы кислорода с образованием возбужденного синглетного кислорода.

Предложенный состав стекла обеспечивает низкие пороги генерации, ее высокую эффективность и независимость от температуры выходных характеристик лазера в рабочем диапазоне температур. Все это позволило создать компактную (вес 14 кг), питающуюся от бытовой сети и не требующую внешнего контура охлаждения медицинскую установку "ГЛАССЕР" (рис. 10). Она применяется при проведении микрохирургических операций в отоларингологии, офтальмологии, урологии и косметологии. Установка создана в рамках международного сотрудничества с Академией наук Венгрии. К настоящему времени в клиниках России и Венгрии с помощью медицинских установок "ГЛАССЕР" выполнено более тысячи операций.

Стоматология. По контракту с южно-корейской фирмой "Samsung" в Институте общей физики разработана трехволновая лазерная установка для стоматологии (рис. 11). Она способна генерировать излучение с длиной волны 1.06 мкм -обычная длина волны излучения неодимового лазера. Энергия импульса составляет 1 Дж при частоте повторения импульсов до 100 Гц. Вторая длина волны генерации 1.34 мкм является еще одной возможной для ионов неодима длиной волны лазерного излучения. Генерация осуществляется тем же кристаллом ИАГ:Nd, что и генерация на основной частоте, путем замены зеркал. Энергия импульса составляет 0.75 Дж при частоте повторения импульсов также 100 Гц. И наконец, генерация третьей длины волны 2.94 мкм осуществляется лазером на кристалле ИАГ:Еr. Энергия импульса составляет 0.5 Дж при частоте повторения импульсов 40 Гц.

Наибольшим пропусканием в тканях обладает излучение с длиной волны 1.06 мкм. Оно останавливает кровотечение. Излучение с длиной волны 1.34 мкм также достаточно глубоко проникает в мягкие ткани, обеспечивая дозированноетерми-ческое воздействие. Оно используется для лечения заболеваний мягких тканей полости рта.

В зубной эмали содержится 2.5% воды, а в дентине - 13%. Поскольку эти вещества слабо поглощают излучение видимой и ближней инфракрасной области спектра, пороги абляции высоки, а окружающие ткани могут получить термические ожоги, если применяются неодимовые лазеры. Использование 3-микронных эрбиевых лазеров для таких операций, как удаление кариеса, лечения трещин зубной эмали или стерилизация зубного канала, более предпочтительно, поскольку коэффициенты поглощения и пороги абляции составляют соответственно 350 см-1 и 500 Дж/см2 для дентина и 180 см-1 и 3000 Дж/см2 для эмали [30].

Для успешного и эффективного применения лазерной стоматологической установки желательно было объединить в одном приборе функции лечения как зубов, так и мягких тканей полости рта. С этой целью и был разработан трехволновой лазер [31]. Если при доставке излучения с длинами волн 1.06 и 1.32 мкм по кварцевому волокну трудностей не возникало, то для транспорта излучения с длиной волны 2.94 мкм доступного волокна не существовало. В Институте общей физики разработана оригинальная технология роста кристаллических волокон, с помощью которой было изготовлено уникальное кристаллическое волокно из лейкосапфира. Оно и было с успехом использовано для транспортировки излучения с длиной волны 2.94 мкм.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ АКСЕССУАРЫ
Одной из проблем создания лазерных медицинских установок является доставка лазерного излучения при проведении эндоскопических и внутриполосных операций. В Институте общей физики разработана и на базе инновационных фирм ООО "Полироник" и ООО "НТЦ волоконно-оптических устройств" организовано производство целой гаммы внутриполосных катетеров, пропускающих излучение видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Существуют специальные наконечники для волоконных световодов, повышающие эффективность и расширяющие диапазон их применений.

Весьма сложной оказалась разработка технологий получения материалов, пропускающих 10-микронное излучение и способных быть изготовленными в виде волоконных световодов. Этим требованиям отвечают поликристаллические волокна, созданные на основе технологии экструзии преформ из галогенидов серебра [32]. Они нашли применение в медицинских установках на основе СО2-лазеров. При диаметре волокна 800 мкм на выходе такого гибкого волоконно-оптического кабеля получено до 30 Вт излучения 10-микронных лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме.

* * *

В каждой из описанных выше медицинских установок имеется по крайней мере один уникальный элемент, без которого установка принципиально не могла быть создана и разработка которого не могла быть выполнена без предварительных глубоких фундаментальных исследований. В тепловизионной установке - это матрица на основе силицида платины, продукт современной нанотехнологии, в других случаях - лазеры, в которых найдены оригинальные инженерные решения, основанные на накопленном опыте в лазерной физике, или уникальные активные среды твердотельных лазеров - плод совместного труда спектроскопистов, лазерщиков и технологов. Наконец, выбор того или иного лазера и режимов его работы - результат глубоких фундаментальных исследований в области физики взаимодействия излучения с веществом. Только творческое объединение усилий целого ряда организаций, характерное для школы академика А.М. Прохорова, позволило получить те практические результаты, о которых шла речь в настоящей статье.

ЛИТЕРАТУРА

1. Краснов М.М. Лазеропунктура угла передней камеры при глаукоме // Вестник офтальмологии. 1972. № 3.

2. Sondaevskii V.P., Kalinushkin V.P., Akirnov V.M, et al. Optical and Electrophysical Properties of Superthin photosensitive structures based on schottky barriers // Russian Microelectronics. 1997. V. 26. N 3.

3. Завгородний С.В., Хижняк Е.П., Воронков В.Н., Садовников В.Б. Морфологические изменения в нервах кожи, вызванные электромагнитным излучением миллиметрового диапазона // Биомедицинская радиоэлектроника. 1999. № 1.

4. Щербаков И .А., Конов В.И., Осико В.В. Возможности применения фундаментальных достижений физики в разработке новых лечебно-диагностических методов // Труды IV Международной конференции по реабилитологии. Москва, 4-6 октября. 2002.

5. Khizhnyak EH., Ziskin M.C. Infrared Themography in Experimental Dosimetry of Radio Frequency and Millimeter Wavelength Radiation Exposure // Radio Frequency Radiation Dosimetry. Kluiver Academic Publisher, 2000. P. 199-205.

6. Кузнецов А.И., Логачев А.П., Степанов Е.В. Анализ выдыхаемого человеком воздуха методами диодной лазерной спектроскопии // Известия АН СССР. Серия физическая. 1990. Т. 54. № 10.

7. Stepanov E.V., Moskalenko KL. Gas Analysis of Human Exhalation by Tunable Diode Laser Spectroscopy // Optical Engineering. 1993. V. 32. № 2.

8. Степанов Е.В., Миляев В.А., Селиванов Ю.Г. Лазерная ортомолекулярная медицинская диагностика // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. № 4.

9. Степанов Е.В., Миляев В.А. Применение перестраиваемых диодных лазеров для высокочувствительного анализа газообразных биомаркеров в выдыхаемом воздухе // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. № 11.

10. Степанов Е.В. Лазерный анализ изотонического отношения углерода 13С/12С в СО2 выдыхаемого воздуха // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. №11.

11. Loschenov V.B., Kuzin М.I., Artjushenko V.G., Konov V.I. Study of tissue fluorescence spectra in situ // SPIE Proc. 1989. V. 1066. P. 271-274.

12. Лощеное В.Б., СтратонниковА.А., Волкова А.И., Прохоров А.М. Портативная спектроскопическая система для флуоресцентной диагностики опухолей и контроля за фотодинамической терапией // Российский химический журнал. 1998. Т. XLII. № 5.

13. Дадвани С.А., Харнас С.С., Чилингариди К.Е. и др. Лазерная аутофлуоресцентная спектроскопия - новый метод экспресс-диагностики в хирургии // Хирургия. 1999. № 10.

14. Douplik A.Y., Stratonnikov A.A., Loschenov V.B. et al. The study of photodynamic reactions in human blood // Journal Biomed. Optics. 2000. V. 5. P. 338-349.

15. Loschenov V.B., Konov V.I., Prokhorov А.М. Photodynamic therapy and fluorescence diagnostics // Laser Physics. 2000. V. 10. N 6.

16. Чиссов В.И., Соколов В.В., Филоненко Е.В. и др. Клиническая флуоресцентная диагностика опухолей с фотосенсибилизатором фотогем // Хирургия. 1995. № 5.

17. Соколов В.В., Филоненко Е.В., Телегина Л.В. и др. Комбинация флуоресцентного изображения и локальной спектрометрии при флуоресцентной диагностике папилломы и раннего рака гортани и бронхов // Квантовая электроника. 2002. № 11.

18. Prokhorov А.М., Dobbin V.G., Kuzmin G.P. et al. Ultraviolet laser endocavital irradiation in combined treatment of patients with lung tuberculosis // Minimal Invasive Medizine - Med. Tech. 1993. 4 (4). P. 3-5.

19. Prokhorov А.М., Kuzmin G.P., Kisletsov A.B. et al. "Almitsin" laser medical apparatus for the treatment of destructive forms of pulmonary tuberculosis // Laser Physics. 1996. V. 6. N 2.

20. Арман И.П., Фатошечкин Ф.Г., Шапиро Н.И. Чувствительность клеток разного уровня организации летальному и мутагенному действию ультрафиолетового излучения с длиной волны 260-288 нм // Ультрафиолетовое излучение. М.: Медицина, 1971.

21. Prokhorov A M„ Kuzmin G.P., BashkinV.K.et al. Ultra-violet laser "Maria" in treatment fiber-cavernous lung tuberculosis. Laser Applications and Technologies. LAT-2002. Moscow. Digest Jsu F 25.

22. Atejev V.V., Bukreyev V.S., Vartapetov S.K. et al. Excimer laser system "Profile-500" // SPIE Proc. 1999. V. 3829. P. 124-127.

23. Вартапетов С.К., Дога А.В. Эксимерный лазер "Микроскан-2000" - первый отечественный эксимерный лазер сканирующего типа // Международный съезд офтальмологов по рефракционной и катарактальной хирургии. Тезисы докладов. М., 2002.

24. Алимпиев С.С., Никифоров С.М. Импульсно-периодический СО2-лазер. Патент России № 2118025 от 27.06.97.

25. Дьяконов Г.И., Доршел К., Конов В.И. и др. Производительность разрушения камней под действием длинных импульсов излучения Nd:HAr лазера. Препринт ИОФ РАН. 1992. № 23.

26. Дьяконов Г.И., Лян В.Г., Михайлов В.А. и др. Nd: ИАГ лазер с длинным импульсом излучения для целей литотрипсии. Препринт ИОФ РАН. 1992. №24.

27. Абросимов С.А., Бондаренко АЛ., Кочиев Д.Г., Серов Р.В. Фрагментация камней твердотельным лазером микросекундной длительности с преобразованием излучения во вторую гармонику. Материалы конференции "Фундаментальные науки - медицине". Москва. 25-26 ноября 2002.

28. Klirnov I.V., Shcherbakov I.A., Tsvetkov V.B. Losses in 1.44mm Nd:YAG laser for medical applications // SPIE Proc. 1999. V. 3829. P. 165-180.

29. Nikolaev D.A., Klirnov IV., Shcherbakov I.A., Tsvetkov V.B. Nd:YAG Lasers Operating at Different Wavelengths through 4F3/2 - 4I13/2 Transitions // Laser Physics. 2000. V. 10. № 2.

30. Mikhailov V.A.,Tsvetkov V .В., Shcherbakov I.A. Investi-gation of the potential medical applications of fibre-coupled lasers based on Er3+ and Ho3+ in Cr3+-doped scandium garnets // Sov. Lightwave Comrnun. 1992. V. 2. P. 13-22.

31. Gilwon Yoon, Zabaznov A.M., Tsvetkov V.B. et al. A compact 1.06/1.32/2.94 mm pulsed laser for dentistry // Optics and Laser Technology. 2002. V. 34. P. 213-217.

32. Артюшенко В.Г., Данев Г., Жукова Л.В. и др. Лазерные кабели на основе кристаллических ИК-световодов // Известия АН СССР. Серия физическая. 1990. Т. 54. № 8.


О ВОЗМОЖНОСТЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЛЕЧЕБНЫХ УЧРЕЖДЕНИЯХ РАН
НОВОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ,
РАЗРАБОТАННОЙ В АКАДЕМИЧЕСКИХ ИНСТИТУТАХ

Ю. В. Гуляев

Гуляев Юрий Васильевич - академик, директор Института радиотехники и электроники РАН.

Анализ тематики институтов Российской академии наук, проведенный в связи с реализацией принятой в 2002 г. программы "Фундаментальные науки - медицине", показывает, что свыше 50 академических институтов ведут исследования в области создания новых медицинских приборов и аппаратуры, новых медицинских препаратов, методик диагностики и лечения. Причем исследования выполняются, как правило, на мировом уровне. Приведу несколько конкретных примеров.

В Институте прикладной физики в Нижнем Новгороде разработан метод оптической когерентной томографии для построения изображений внутренней структуры биотканей, являющихся сильно рассеивающими средами. Создан оптический томограф, в котором используются источники фемтосекундного излучения инфракрасного диапазона, для неинвазивной диагностики биотканей (в том числе эндоскопической диагностики) на глубину до 2 мм с пространственным разрешением порядка 19 мкм. Впервые получены оптические томограммы внутренних органов человека в норме и патологии (рис. 1). Томограф успешно функционирует в клиниках Нижнего Новгорода.

В Институте проблем лазерных и информационных технологий в Шатуре разработана интеллектуальная лазерная медицинская система "Перфокор". При ее создании использовались достижения лазерной физики и техники, а также современные методы построения сложных информационных систем. С помощью "Перфокора" осуществляется лазерная реваскуляризация миокарда. В процессе такой операции в толще сердечной мышцы левого желудочка мощным лазерным излучением создаются каналы, открывающиеся в полость сердца (рис. 2). Каналы способствуют восстановлению кровообращения в ишемизированных зонах миокарда и предотвращают развитие инфаркта миокарда.

По сравнению с традиционной техникой аортокоронарного шунтирования этот метод лечения ишемической болезни проще в исполнении и значительно дешевле. Операция происходит на работающем сердце без использования аппарата искусственного кровообращения и относительно малотравматична. В НЦ сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева с помощью системы "Перфокор" проведено более 250 успешных операций. Всего в мире по этому методу выполнено более 10 тыс. успешных операций в 60 кардиоцентрах.

В Институте проблем лазерных и информационных технологий создана уникальная компьютеризированная система для изготовления пластиковых биомоделей и костных имплантантов методом лазерной стереолитографии. Она позволяет оперативно делать пластиковые модели по результатам томографических исследований пациентов передаваемых по Интернету (рис. 3). Продолжительность сложных операций сокращается в три раза - с 6-10 до 3-4 часов.

В Институте радиотехники и электроники разработаны методики и созданы уникальные приборы для динамической инфракрасной термографии и СВЧ-радиотермографии. Многоканальный радиотермограф (рис. 4) строит трехмерное распределение температуры внутри человеческого тела с точностью до 0.1 К. Он способен зафиксировать повышение температуры в области очага эпилепсии. Методика диагностики эпилепсии по гипервентиляции апробирована при участии академика А.Н. Коновалова в Институте нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко.

Чтобы улучшить пространственное разрешение при измерении профиля внутренней температуры тела, в Институте прикладной физики и в Институте радиотехники и электроники разработан акустотермограф. Для индикации температуры в нем используется тепловое акустическое излучение - длинноволновые фононы.

Уникальная магнитокардиографическая система с флуктуационной чувствительностью 10 фТ/Гц1\2 создана в Институте радиотехники и электроники. Она позволяет измерить простран-ственно-временное распределение магнитного поля сердца, отражающее тонкие особенности функционирования и патологий миокарда.

Магнитные карты нормального сердца и сердца после инфаркта миокарда сильно отличаются (рис. 5), что позволяет кардиологам производить неинвазивную достоверную диагностику этих состояний. Отмечу, что напряженность магнитного поля сердца в 10 млн. раз меньше напряженности магнитного поля Земли, которое вращает стрелку компаса.

Упомяну еще о разработках Института радиотехники и электроники в области принципиально нового метода компьютерной томографии, так называемой импедансной томографии.

Я рассказал лишь о нескольких интересных разработках медицинской техники, выполненных в академических институтах, и совсем не коснулся достижений в области биохимических методов диагностики и лекарственных препаратов. А между прочим, среди них есть первоклассные - такие как, например, газохроматографический экспресс-метод определения стероидов в биологических жидкостях, разработанный в Институте нефтехимического синтеза под руководством академика Н.А. Платэ.

К сожалению, должен констатировать, что большинство медицинских разработок академических институтов используется в различных медицинских учреждениях России и зарубежных стран, но не в клиниках и больницах Управления делами РАН. В Центральной клинической больнице (ЦКБ) РАН установлено созданное в Институте медико-биологических проблем оборудование для дыхания подогретой гелйево-кислородной смесью и аппарат "Пингвин", восстанавливающий проприорецептивную чувствительность после нарушения мозгового кровообращения. Нашли применение в ЦКБ разработанный в Институте микробиологии препарат "Микоран" для местного лечения ран и ожогов, созданный в Институте проблем передачи информации и апробированный в ЦКБ аппарат для коррекции зрения и лечения заболеваний зрительного нерва. Можно упомянуть и о компьютерной приставке к рентгеновскому аппарату, установленной в клинической больнице РАН в Троицке.

В чем причины такого низкого интереса академических медиков к новым разработкам медицинской техники? Мне представляется, что их несколько, по крайней мере, три.

• Задача сотрудничества академических институтов в области медицинских разработок с медицинскими учреждениями Управления делами РАН до создания в июне 2002 г. новой Комиссии по медицинским учреждениям РАН и принятия программы "Фундаментальные науки - медицине" не ставилась. Связи институтов РАН с различными медицинскими учреждениями в России и за рубежом складывались исторически, по принципу взаимных интересов.

• Финансирование медицинских учреждений РАН и обеспечение их стандартным медицинским оборудованием, приборами и лекарственными препаратами всегда оставляло желать лучшего, что отнюдь не стимулировало столь же бедные академические институты к сотрудничеству с ними. А в медицинских учреждениях РАН было не до жиру - быть бы живу, то есть приобрести хотя бы абсолютно необходимое стандартное оборудование и лекарства. Сегодня из 3610 единиц медицинского оборудования учреждений Управления делами РАН большая часть (2732 ед., или 75%) эксплуатируется более восьми лет - свыше нормативного срока эксплуатации медоборудования (рис. 6).

рис. 6. Анализ состояния медицинского оборудования, находящегося на балансе медицинских учреждений Управления делами РАН. Жирной вертикальной линией отмечен нормативный срок эксплуатации медицинского оборудования - 8 лет; около 75% оборудования эксплуатируется свыше нормативного срока

• Не очень высокий в ряде случаев научный уровень врачей и медперсонала медицинских учреждений Академии наук и, как следствие, отсутствие у них интереса к новациям приводили к трудностям при попытках сотрудничества с институтами в освоении новой медицинской техники и приборов. Так, в конце 1980-х годов мне удалось при помощи президента АН СССР Г.И. Марчука договориться с руководством Медицинского управления академии и получить часть этажа академической поликлиники на улице Фотиевой для размещения и клинических испытаний наших новых диагностических методик. Но должного научного контакта с академическими медиками, возможно, по вине обеих сторон, не получилось, к нам стали приходить работать врачи из других медицинских учреждений, в результате через год нас попросили выехать из поликлиники.

Сегодня ситуация меняется к лучшему. Руководство медицинских учреждений РАН показывает серьезную заинтересованность в клинических испытаниях и применении новых медицинских методик и оборудования, разработанных академическими институтами, именно в стенах собственных учреждений. Такой же идеологии придерживается Комиссия по медицинским учреждениям РАН, возглавляемая академиком М.А. Пальцевым. В этом же заинтересовано руководство и все сотрудники Российской академии наук.

Программа "Фундаментальные науки - медицине", возглавляемая академиком А.И. Григорьевым, предполагает реализацию и финансирование значительного числа проектов, выполняемых академическими институтами с участием сотрудников медицинских учреждений Управления делами РАН. Это позволит в целом улучшить финансирование и обеспечение оборудованием медицинских учреждений РАН, повысить зарплату сотрудникам. Надеюсь, что такое же отношение руководителей программы будет распространено и на другие работы медицинской направленности, осуществляемые по хоздоговорам и грантам, как российским, так и международным. Есть надежда, что привлечение нескольких кафедр медицинских институтов к сотрудничеству с медицинскими учреждениями Управления делами РАН вызовет приток в них молодежи, способной к восприятию новой техники.

Необходимо с удовлетворением отметить, что благодаря целенаправленной политике руководства Академии наук финансирование на приобретение оборудования для медицинских учреждений РАН за последний год существенно увеличилось - более чем в 200 раз по бюджетным источникам и в 7 раз по внебюджетным (рис. 7). И это внушает оптимизм. Так что же делать дальше? Прежде всего нужно составить полный банк данных о разработках медицинской направленности, проводимых в научных учреждениях РАН. В рамках программы "Фундаментальные науки - медицине" этот банк фактически уже создан. Его следует должным образом оформить и довести до сведения медицинской общественности страны, руководства Министерства здравоохранения РФ, всех медицинских учреждений Российской академии наук.

рис. 7. Динамика выделения медицинским учреждениям Управления делами РАН средств на приобретение медицинского оборудования за период 1997-2003 гг. 1 - бюджетное финансирование, 2 - иные источники финансирования
Для обеспечения информационной поддержки и оказания специалистам медицинских учреждений РАН научно-методической помощи в освоении новейшей медицинской аппаратуры, методов лечения и лекарственных препаратов необходимо организовать научно-практическую конференцию. На нее следует пригласить ведущих медиков, ученых-разработчиков медицинских приборов, оборудования и лекарственных препаратов в институтах РАН и представителей учреждений других ведомств, имеющих практический опыт работы с изделиями медицинской направленности.

По некоторым выбранным направлениям (инфракрасная и радиотермография, лазерная медицина, магнитокардиография) необходимо создать в медицинских учреждениях РАН (совместно с медиками из других учреждений страны, уже работающих в этих направлениях) объединенные группы врачей и сотрудников академических институтов. В них должны войти специалисты, способные воспринять и развить экспериментальные методики с использованием новых приборов, разработанных в институтах РАН. Необходимо способствовать сотрудникам медицинских учреждений РАН в защите диссертаций на основе применения новых приборов и методик, созданных в академических институтах.

Комиссия по медицинским учреждениям РАН должна обеспечить организационно-методическое взаимодействие с Министерством здравоохранения РФ с целью утверждения ведущих клиник РАН - ЦКБ РАН, КБ РАН (Санкт-Петербург) и КБ РАН (г. Троицк и г. Пущине Московской области) - в качестве базовых для проведения клинических испытаний медицинской техники, лекарственных препаратов и других изделий медицинского назначения. Это позволит поднять общий уровень наших клиник, а также сэкономить средства, затрачиваемые в настоящее время Российской академией наук на проведение испытаний новой техники и препаратов в учреждениях других ведомств.

Приоритетным должно стать оснащение медицинских учреждений РАН, оказывающих медицинскую помощь прикрепленным сотрудникам Академии наук, новейшими приборами и аппаратурой, разработанными в научно-исследовательских организациях РАН. В связи с этим Медицинскому центру Управления делами РАН, Комиссии по медицинским учреждениям РАН в ближайшее время нужно подготовить Положение об обеспечении медицинских учреждений РАН современной медицинской аппаратурой, методиками и лекарственными препаратами, разработанными в институтах РАН, для утверждения на Президиуме РАН, а Планово-финансовому управлению РАН обеспечить финансирование данной программы.

Учитывая, насколько важно улучшить медицинское обслуживание сотрудников Российской академии наук, целесообразно, на мой взгляд, каждый год на заседании Президиума РАН подводить итоги проделанной в этом направлении работы.
 

Автор выражает благодарность В.Е. Волкову, Н.Г. Гончарову, А.И. Григорьеву, А.Д. Мансфельду, Ю.В. Обухову, М.А. Пальцеву, В.Я. Панченко, А.М. Сергееву, В.А. Черепенину и И.А. Щербакову за участие в подготовке данного доклада.

ОБСУЖДЕНИЕ

Академик В.А. Кабанов: То, что мы сегодня услышали, опровергает заявление ряда власть придержащих чиновников о том, что Российская академия наук, мол, ничего не вносит в научно-технический прогресс. Мне кажется, должен быть какой-то механизм доведения этой информации до чиновников. Вряд ли можно надеяться, что они изменят свое мнение об Академии наук, но им, по крайней мере, будет труднее пропагандировать в обществе свою точку зрения.

Мне кажется, что, поскольку эти блестящие медицинские приборы до сих пор находятся в лабораториях и клиниках практически в единственном числе, современная структура нашей экономики не обеспечивает внедрение выдающихся достижений науки. Нашей экономике выгоднее, людям выгоднее покупать приборы за границей (отнюдь не только уникальные!), зарабатывая на этом огромные деньги.
Член-корреспондент РАН С.В. Медведев: В Санкт-Петербурге находятся две большие клинические организации Российской академии наук: Клиническая больница (главный врач - заслуженный врач РФ С.И. Морозова) и клиника Института мозга человека. Для нашего бедного времени - это хорошо оснащенные клиники. Естественно, многого не хватает, тем важнее для нас внедрять в лечебный процесс новейшие, часто более дешевые отечественные разработки, и прежде всего разработки академических институтов.

Хотелось бы отметить, что в Санкт-Петербурге с таким внедрением дело обстоит неплохо. Я коснусь в основном разработок институтов Отделения биологических наук РАН. Естественно, что разработки Института мозга человека внедряются в его клинику. Например, серийно выпускаемый совместно с НИИ "Электроприбор" (директор - академик В.Г. Пешехонов) стереотаксический комплекс для проведения нейрохирургических операций. Всего произведено 15 комплексов, и первый из них размещен в нашем институте. ООО "Мицар" выпускает электроэнцефалографы серией около 100 в год, в которых используется созданное в Институте мозга программное обеспечение. Несколько таких электроэнцефалографов работает в клинике нашего института. Следует отметить удачный опыт применения криодеструкции в нейрохирургии. В нашей клинике также функционирует прибор для транскраниальной электрической стимуляции, разработанный в лаборатории профессора Лебедева в Институте физиологии РАН.

Много внимания уделяет новым технологиям главный врач Санкт-Петербургской клинической больницы РАН С.И. Морозова. В 2002 г. по ее инициативе в больнице в рамках программы "Фундаментальные науки - медицине" осуществлялись следующие научные проекты: совместно с Институтом физиологии им И.П. Павлова -"Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на биоэнергетику в норме и при патологии" (руководитель - член-корреспондент РАН В.О. Самойлов), с Институтом цитологии - "Ци-тодеструктивные возможности современных криохирургических систем" (руководитель - доктор биологических наук Г.П. Пинаев), с Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе - "Проведение токсикологических исследований имплантантов костей на основе углерод-углеродных композиционных материалов" (руководитель -доктор физико-математических наук Е.И. Теруков), с Институтом эволюционной биологии и биохимии им. И.М. Сеченова - "Возможности общей управляемой гипертермии в комплексном лечении онкологических больных и купирования абстинентного синдрома у химически зависимых пациентов" (руководитель - доктор биологических наук А.И. Кривченко).

Клиническая больница продолжает сотрудничество с академическими институтами по проектам: "Лазерная флуоресцентная онкодиагностика с использованием лазерных излучателей и хлорофиллпроизводных фотосенсибилизаторов", "Создание биосовместимых имплантантов костей на основе углерод-углеродных композиционных материалов с регулируемой прочностью и пористостью", "Теплофизические основы криогенных вмешательств с использованием стереотаксичес-ких методов в хирургии мозга", "Новые диагностические достижения технологии на основе достижений квантовой биофизики", "Разработка артериального пьезопульсометра и алгоритма его оценки функционального состояния и характера вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы человека", "Поиск маркеров крови для ранней диагностики заболеваний" и многие другие.

Это далеко не полный перечень разработок, которые активно используются в клиниках Санкт-Петербурга. На основании вышесказанного считаю, что взаимодействие академической науки и академических клиник в целом налажено. Этому во многом способствует энтузиазм как главных врачей, так и непосредственных исполнителей. Считаю целесообразным придумать систему их поощрения. Для более полной реализации потенциала академической науки в плане помощи медицине РАН необходимо улучшить информационное оповещение о том, что сделано в академических институтах (часто врачи об этом ничего не знают) и совместно разработать программу приоритетов с адресным финансированием.
Профессор И.В. Решетов (Московский науч-но-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена): Тематика нынешнего заседания Президиума РАН, посвященного созданию новой медицинской техники, очень актуальна. Сам факт обращения фундаментальной науки к животрепещущим проблемам общества, коими являются медицина и здоровье нации, весьма знаменателен.

На протяжении последних 10 лет в Российской Федерации ежегодно заболевают злокачественными опухолями 420-450 тыс. людей. Количество заболевших соответствует населению крупного областного центра страны. Стабильный показатель высокой заболеваемости сопровождается такими важными демографическими тенденциями, как уменьшение народонаселения и его старение. Между тем известно, что злокачественные новообразования чаще возникают в старшем возрасте, поэтому ежегодно увеличивается процент онкологических больных. Кроме этого, весьма важной характеристикой заболеваемости новообразований является стадийность. Преобладают III и IV стадии рака, которые составляют совокупно до 60-70%.

Онкологические больные нуждаются в проведении дорогостоящего комбинированного и комплексного лечения, которое практически в 100% случаев завершаются тяжелой инвалидностью. Это приводит к значительным социальным расходам государства и одновременно к потере квалифицированного трудового потенциала.

Государственный масштаб проблемы диктует необходимость поиска эффективных средств ранней диагностики, доступной большинству населения, а также новых методов органосохраняющего и функционального восстановительного лечения, способствующих снижению показателей инвалидности и смертности. В этом аспекте значительные перспективы связаны с привлечением в медицину и онкологию лазерных информационных технологий, которые могут быть использованы на диагностическом, лечебном и реабилитационном этапах.

Именно создание творческих научных коллективов, объединяющих ученых из разных областей науки и техники и практических врачей-исследователей, поможет сократить дорогу от зарождения идеи и ее материального воплощения до продвижения в клинику. Один из примеров тому - применение лазерных информационных технологий, клеточных технологий и композитных материалов в диагностике и лечении онкологических больных.

Несколько академических институтов - Проблем лазерных и информационных технологий, Биологии развития им. Н.К. Кольцова, Физико-химических проблем керамических материалов, а также два медицинских соисполнителя-института - Нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко и Онкологии им. П.А. Герцена, разработали совместно технологическую цепочку, позволившую с помощью лазерного прототипирования диагностировать опухоль, получить реальный макет дефекта тканей, который можно возместить путем искусственно созданного на основе биосовместимых материалов живого тканевого эквивалента, успешно реконструирующего дефект. Первые результаты, полученные при операциях на голове и черепе, очень обнадеживают.

У молодой пациентки при обращении была выявлена опасная опухоль, располагающаяся в орбите лица и прилегающая к основанию черепа (рис. а). Опухоли черепно-лицевой области представляют прямую угрозу жизни больного. Для выполнения радикальной операции и восстановления тканей лица и черепа был создан лазерный прототип, который позволил точно смоделировать ход операции и восстановить ткани с использованием микрохирургической аутотрансплантации и биокомпозитов в полном анатомическом соответствии (рис. б). Жизнь пациентки была спасена (рис. в), и она вернулась к активной деятельности.

В настоящее время накоплен клинический материал - до сотни наблюдений, который будет обобщаться. Благодаря интегративному подходу мы сможем решить вопросы и ранней диагностики, и лечения злокачественных опухолей.
Член-корреспондент РАН Г.Р. Иваницкий: Медицинские приборы и методики, которые демонстрировались сегодня, особенно тепловидение с температурной чувствительностью в сотые доли градуса, уже в ближайшие годы произведут переворот в диагностике. Но прежде предстоит решить очень существенную проблему. Суть ее в том, что тепловидение основано на измерении собственно теплового излучения кожи организма, а тепло - продукт побочный. Для того чтобы понять, с чем и как связано изменение теплового портрета поверхности организма, необходимо провести большую и серьезную исследовательскую работу. Потребуются в дополнение к термографии другие методы, скажем, ультразвуковой доплеровский анализ, потому что он позволяет определить динамику кровотока. Зная распределение температуры и динамику кровотока, можно определить, что же происходит при различных патологиях в кровеносных сосудах живого организма, в том числе и человека.

Хочу обратить внимание еще на один аспект: почему американские или европейские приборы довольно быстро завоевывают рынок? Они гораздо удобнее для потребителя, чем те, что разработаны Академией наук, хотя по техническим параметрам иногда и уступают нашим приборам. Причина состоит в том, что их разработки обычно рассчитаны (пусть простят меня медики) на абсолютного непрофессионала. К приборам приложены готовые прописи: нажми такую кнопку, нажми такую кнопку, если картинка будет такая, значит, будет такая-то патология, если картинка иная - будет иная патология.

Чтобы подобные прописи-инструкции появились и у наших медицинских приборов, нужна совместная работа медиков и создателей приборов. Например, клинический институт мог бы объединиться с физическим и биологическим, чтобы определить, что мы видим и какие диагнозы можем поставить по тепловизионным картинкам. Тогда мы сможем рассчитывать на то, что российские медицинские приборы будут не только использоваться в академических больницах, но и выйдут на широкий отечественный и международный рынок.

Вопрос о создании биомедицинских и физико-технических объединений не столько в деньгах (хотя они все равно нужны!), сколько в организации. И спасибо Институту общей физики им. А.М. Прохорова, в частности, члену-корреспонденту РАН И.А. Щербакову, что он в значительной степени взял на себя инициативу по объединению.

Конечно, очень обидно, что "похоронена" программа "Науки о мышцах", подготовленная Институтом теоретической и экспериментальной биофизики. Сегодня большинство говорит о борьбе с онкологическими заболеваниями. Разумеется рак - страшное заболевание, но ведь подавляющее большинство людей умирает не от рака, а от сердечно-сосудистых заболеваний, от инфарктов, инсультов, мгновенной остановки сердца, от того, что образуются тромбы в сосудах. Думаю, что в рамках Академии наук можно реанимировать и профинансировать исследовательскую межинститутскую программу "Науки о мышцах" с привлечением медицинских учреждений РАН. Надеюсь, что программу поддержит академик А.И. Григорьев, руководитель нашего Отделения биологических наук РАН и Президиум в целом.
Академик С.Н. Багаев: Хочу коротко проинформировать вас о работах, которые ведутся в Сибирском отделении РАН совместно с Сибирским отделением РАМН. Практически ежегодно мы проводим совместные научные сессии, на постоянно действующей выставке в Сибирском отделении есть большой раздел, посвященный применению в медицине новых достижений науки.

В институтах Сибирского отделения также разрабатывается новая медицинская техника. Так, в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера создана малодозная рентгеновская установка. Уже налажен ее промышленный выпуск, более 60 экземпляров этой установки размещено в различных клиниках. В Институте физики полупроводников разработан компьютерный матричный тепловизор, который используется в медицинских учреждениях; в Институте лазерной физики - офтальмологический комплекс, на котором проведено уже более 5 тыс. операций. Офтальмологический комплекс функционирует полностью на отечественной элементной базе, при этом ни в чем не уступает зарубежным аналогам. Можно упомянуть и о разработанных в наших институтах высокочувствительном лазерном анализаторе биологических гормонов, методике фотодинамической терапии и многом другом. Как и Юрий Васильевич Гуляев, считаю необходимым составить банк данных академических разработок в области медицины.

В нашей ситуации нельзя множить научные направления, распылять силы, наоборот, надо выделить лучшие разработки для медицины и добиться, чтобы они реально вошли в медицинскую практику в России и за рубежом. Программа "Фундаментальные науки - медицине" не только академическая, но и межотраслевая, межведомственная. Это направление чрезвычайно важно, и мы должны уделять ему внимание.
Академик Е.М. Дианов: Мы сегодня увидели, насколько велики возможности фундаментальной науки в медицине. Я хочу в первую очередь еще раз отметить роль Александра Михайловича Прохорова. Он не только инициировал работы по медицине в своем и во многих других институтах, но в течение несколько десятилетий уделял им колоссальное внимание, применяя весь свой опыт и энергию. Много усилий он затратил на работу с Правительством Москвы, с Юрием Михайловичем Лужковым. Иван Александрович Щербаков, надо отдать ему должное, всячески старается поддерживать высокий уровень работ по медицинской тематике в Институте общей физики.

Хочу также подчеркнуть роль волоконной оптики. Большинство лазерных медицинских приборов должны заканчиваться волоконными световодами. Многие приборы, которые демонстрировал Иван Александрович Щербаков, в том числе и ультрафиолетовый лазер для лечения туберкулеза, имеют световоды, разработанные в Научном центре волоконной оптики. Между прочим, это непростая задача. Например, большинство стандартных световодов сразу темнеют, когда по ним пропускают ультрафиолетовое излучение, поэтому нам пришлось создать специальный тип световода, который выдерживает очень длительное пропускание ультрафиолетового излучения.

Пользуясь присутствием здесь медицинской общественности, должен сказать, что наш центр совместно с Российским онкологическим научным центром им. Н.Н. Блохина разрабатывает дозиметр для радиотерапии. Обычно полученная больным доза измеряется уже после сеанса облучения, что может приводить к ошибкам в укладке пациента и в установке параметров излучения. К тому же современные дозиметры имеют маленькое пространственное разрешение. Мы разрабатываем дозиметр, в котором чувствительный элемент представляет собой кусочек волоконного световода миллиметровой длины. Он подсоединяется к другому световоду, в который заводится свет, и доза определяется в процессе облучения больного в реальном масштабе времени. Может быть, наш дозиметр заинтересует присутствующих здесь медиков.
Академик Н.А. Платэ: Сегодня состоялось очень важное и исключительно интересное заседание Президиума РАН. Два блестящих доклада, которые мы заслушали, приоткрыли лишь малую часть фундаментальных работ академии, направленных непосредственно на диагностику и лечение заболеваний. Мы можем более оптимистично, чем два года назад, смотреть на эти проблемы, поскольку резко возросло финансирование подобных работ благодаря правильному решению, принятому Академией наук.

Мне кажется, что медицинская техника и методики, разработанные в институтах РАН, должны в первую очередь служить академическому сообществу, то есть лечить нас самих - в Петербурге, Москве, Новосибирске, Екатеринбурге и других местах. Думаю, в рамках программы "Фундаментальные науки - медицине" можно выделить несколько десятков миллионов, чтобы обеспечить новой техникой наши больницы и поликлиники. Ведь нашли же в свое время академические институты возможность давать дополнительное финансирование медицинским учреждениям, привлекать на правах совместительства их сотрудников.

То, о чем сегодня рассказывалось, - это лишь надводная часть айсберга академических разработок. Только в институтах химического профиля выполнены многие десятки работ, которые могли бы быть здесь сегодня доложены. И, конечно, создание банка академических разработок в области медицины представляется абсолютно необходимым.

Что касается обеспечения наших больниц и поликлиник новыми приборами, то позвольте высказать, может быть, чуть-чуть крамольную мысль. Если какой-то институт что-то сделал и продает свое изделие в СНГ, за рубеж (не Академии наук), то, может быть, следует поступить так: повысить отпускную цену на 5-10% с учетом инфляции и условно на девять проданных приборов сэкономить деньги для того, чтобы десятый поставить в Центральную клиническую больницу или в нашу поликлинику. Думаю, в нашем случае нужно сочетание какого-то волевого решения и нормальной экономики.

Сейчас в академической медицине сложилась благоприятная ситуация. Наконец-то заработала Комиссия по медицинским учреждениям, возглавляемая Михаилом Александровичем Пальцевым, в Центральной клинической больнице появился толковый главный врач - Николай Гаврилович Гончаров. И ведущие клиницисты, во всяком случае московские, тоже стали гораздо активнее. Прав был Юрий Васильевич Гуляев, когда сказал, что некоторое время тому назад не было достаточной инициативы со стороны наших медиков, может быть, не было желания или не хватало образования.

Наконец последнее. Я поддерживаю мысль Виктора Александровича Кабанова о том, что сегодняшнее заседание частично показывает: Российская академия наук занимается вполне земными вещами. Но в нашей аудитории нет тех, для чьих ушей это в первую очередь предназначается. Следовательно, нашему заседанию нужно сделать "хороший пиар": опубликовать в ведущих газетах - и в "Российской", и в "Известиях" - статьи не о частных достижениях, а о том, как Академия наук систематически и направленно строит политику в области внедрения в медицинскую практику разработок, выполненных на основе фундаментальных достижений физики, химии и биологии.
Академик Ю.С. Осипов: Тема сегодняшнего заседания Президиума РАН выбрана мною из чисто прагматических соображений. Единственный способ сохранить медицинские учреждения в рамках Академии наук так, чтобы они полноценно работали и развивались, - включить их деятельность в научную деятельность Академии наук. В связи с этим я просто хотел понять, как обстоит дело с разработками академических институтов в интересах медицины.

Как видим, дело обстоит неплохо. Однако мы познакомились с малым числом разработок, больше узнали о приборах, которые сделаны в Институте общей физики, в Институте радиотехники и электроники. Но у нас есть еще десятки институтов, занимающихся медицинскими проблемами, в том числе и в региональных отделениях.

Юрий Васильевич Гуляев, с моей точки зрения, вскрыл самый большой нарыв: отсутствие новой техники и методик, созданных в академических институтах, в стенах медицинских учреждений РАН. Он объяснил, что ни у врачей, ни у медперсонала нет заинтересованности в их использовании, нет заинтересованности в том, чтобы научиться работать с новой техникой. Мне кажется, что сейчас чрезвычайно важно организовать, может быть, виртуальный, центр (надо подумать, как это лучше сделать), в котором медики осваивали бы современную медицинскую технику и методики. Это, кстати, один из способов включения наших медицинских организаций в сферу основной деятельности академии. Призываю Михаила Александровича Пальцева и Анатолия Ивановича Григорьева подумать над тем, как научить врачей работать с новой техникой. Наши приборы требуют от них некой дополнительной квалификации. Может быть, действительно, центр создадим.

Хотя выбор темы заседания и был чисто прагматическим, не скрою, я ставил и политические цели. Правильно здесь говорил Виктор Александрович Кабанов, что во властных структурах и среди широкой общественности распространяется искаженная информация о том, что академия мало занимается инновациями. Сегодняшнее заседание - яркий пример инновационной деятельности Академии наук. Другое дело, что разработки нужно доводить до логического конца: организовать специальные фирмы по производству медицинского оборудования, которое выпускают институты Академии наук. Мы, может быть, это не очень умеем делать. Еще до того, как мы заведем банк данных медицинских разработок академических институтов, необходимо составить подробную аналитическую справку и передать ее хотя бы в Министерство здравоохранения РФ. Мне этот шаг представляется очень важным. Кстати, все, о чем мы сегодня говорили, относится не только к приборам, но и медицинским препаратам, создаваемыми нашими биологами и химиками.

Юрий Васильевич Гуляев высказал правильную мысль о том, что необходимо стимулировать работу толковых врачей в наших медицинских учреждениях. Я знаю ряд медицинских центров, где люди держатся за место не только потому, что там зарплата приличная, но в первую очередь потому, что там они получают моральное удовлетворение от своей работы и защищают диссертации. У нас с защитой диссертаций медиками дело почти на нуле. Надо подумать, как решить эту проблему.

Теперь по поводу пиара, о котором говорил Николай Альфредович Платэ. Давайте начнем с малого. Сегодняшние докладчики пусть напишут статью в газету "Известия" или "Российскую газету" либо дадут интервью.

И наконец, то, что мне представляется особенно важным. Конечно, надо сосредоточить усилия на небольшом числе разработок, довести их до очень высокого уровня и попытаться, может быть, с иностранными фирмами, продвинуть наши приборы на международный рынок. Если мы будем распылять силы по всем нашим разработкам в интересах медицины, мы никогда результатов не достигнем. Итак, главное: проанализировать, выделить приоритетное и попробовать это сделать.

Мне кажется, у нас состоялся очень интересный разговор. Думаю, через полгода мы послушаем, какие продвижения в области медицины есть в наших институтах и как решаются вопросы, которые здесь поднимались в выступлениях. Благодарю докладчиков и всех участников обсуждения.

ПОСЛЕСЛОВИЕ

В целях повышения эффективности и качества профилактических, лечебных и реабилитационных мероприятий медицинских учреждений Медицинского центра Управления делами РАН Президиум Российской академии наук постановил:

1. Одобрить инициативу Медицинского центра Управления делами РАН и Комиссии по медицинским учреждениям РАН по созданию банка данных о разработках медицинской направленности, проводимых в научных учреждениях РАН.

2. Рекомендовать в первую очередь оснащать новейшими приборами и аппаратурой, разработанными в научных организациях РАН, медицинские учреждения РАН выполняющие лечебно-диагностическую работу по оказанию медицинской помощи прикрепленным сотрудникам РАН.

3. Академику А.И. Григорьеву, Медицинскому центру Управления делами РАН совместно с Комиссией по медицинским учреждениям РАН подготовить проект Положения об обеспечении медицинских учреждений РАН современной диагностической аппаратурой, разработанной в РАН, для последующего утверждения в установленном порядке. Финансово-экономическому управлению РАН обеспечить финансирование этого проекта в рамках программы "Фундаментальные науки - медицине".

4. Медицинскому центру Управления делами РАН обеспечить организационно-методическое взаимодействие с Министерством здравоохранения Российской Федерации с целью получения для ведущих клиник РАН статуса базовых для проведения клинических испытаний (лекарственных препаратов, медицинской техники и изделий медицинского назначения), что позволит сэкономить средства, затрачиваемые в настоящее время РАН для проведения этих работ в учреждениях других ведомств.

5. Для скорейшего внедрения созданных приборов и методик и их дальнейшего развития рекомендовать медицинским учреждениям РАН создать объединенные группы врачей и сотрудников институтов РАН по выбранным направлениям (инфракрасная и радиотермография, лазерная медицина и др.).

6. Для обеспечения информационной поддержки специалистов медицинских учреждений РАН в освоении новейшей аппаратуры и современных методов диагностики поручить Комиссии по медицинским учреждениям РАН и Медицинскому центру Управления делами РАН организовать научно-практическую конференцию с приглашением ведущих специалистов этих учреждений, ученых-разработчиков аппаратуры и представителей учреждений других ведомств, имеющих практический опыт работы с этими приборами и оборудованием.

7. Рассмотреть на заседании Президиума РАН в 2004 г. ход выполнения поручений, указанных в настоящем постановлении.


 

VIVOS VOCO!
Февраль 2004